Open dual cycle with composition change and limited pressure for prediction of miller engines performance and its turbine temperature

An improved thermodynamic open Dual cycle is proposed to simulate the working of internal combustion engines. It covers both spark ignition and Diesel types through a sequential heat release. This study proposes a procedure that includes (i) the composition change caused by internal combustion, (ii) the temperature excursions, (iii) the combustion efficiency, (iv) heat and pressure losses, and (v) the intake valve timing, following well-established methodologies. The result leads to simple analytical expressions, valid for portable models, optimization studies, engine transformations, and teaching. The proposed simplified model also provides the working gas properties and the amount of trapped mass in the cylinder resulting from the exhaust and intake processes. This allows us to yield explicit equations for cycle work and efficiency, as well as exhaust temperature for turbocharging. The model covers Atkinson and Miller cycles as particular cases and can include irreversibilities in compression, expansion, intake, and exhaust. Results are consistent with the real influence of the fuel-air ratio, overcoming limitations of standard air cycles without the complex calculation of fuel-air cycles. It includes Exhaust Gas Recirculation, EGR, external irreversibilities, and contemporary high-efficiency and low-polluting technologies. Correlations for heat ratio gamma are given, including renewable fuels

Temperatura de los gases de escape en motores turboalimentados

Los Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA) progresivamente están siendo fabricados con la incorporación de un sistema de turboalimentación. Ello permite aumentar su par y potencia máximos, rendimiento mecánico y, en determinados casos, su rendimiento indicado; incluso se constituye en una herramienta para reducir las emisiones de gases contaminantes y partículas. Actualmente esta práctica es fundamental para reducir el peso de los motores “downsizing”, contribuyendo a la reducción del consumo de los automóviles. La determinación de la energía disponible en los gases de escape para mover la turbina es un tema de laboriosa ejecución por el carácter no estacionario del proceso de transferencia de gases entre el motor, generalmente pluri-cilíndrico, y la turbina de escape. La obtención de aproximaciones juiciosas no solo permite tener unas cifras preliminares, sino que permite estudiar el efecto de variables de operación y diseño, al menos de forma cualitativa o semicuantitativa. Además, estas aproximaciones necesitan información reducida del motor, haciendo que su aplicabilidad sea muy amplia y flexible, además de abordable. La modelización simplificada con la hipótesis de presión constante durante el proceso de transferencia de energía a la turbina es tanto más precisa cuanto más grado de sobrealimentación (relación de presiones en el turbocompresor) se desee, cosa que va ocurriendo paulatinamente en los años recientes. Esto ocurre tanto en automoción, como en aplicaciones industriales de los motores. Según la contrapresión de escape aumenta, el efecto del proceso de escape espontáneo disminuye progresivamente y con ello la presión en el tracto de escape se aproxima a la presión en el instante de apertura de la válvula de escape AAE. En la literatura reciente se pueden encontrar expresiones simplificadas de la temperatura de los gases de escape, la cual determina la entalpía de entrada a la turbina, pero un análisis más detallado parece necesario; con utilidad tanto para el investigador, como para el estudiante y otros. Se expone un modelo, más amplio que el disponible comúnmente, para la determinación teórica de la temperatura equivalente de los gases de escape, contando con dos hipótesis aceptables, pero restrictivas: 1. Evolución adiabática de los gases salientes. 2. Flujo sin reacción. Ambas hipótesis restrictivas se relajan a continuación, para obtener una corrección al resultado obtenido, proponiéndose modelos simplificados para ello. Haciendo uso de características propias de los MCIA se simplifica la ecuación obtenida para llegar a las mostradas en la literatura